FMEA 和 Robustness（稳健性）

本章主要介绍和FMEA相关的稳健性概念。着重介绍Ｐ图，功能图，边界图，接口图和特征矩阵。

稳健性是FMEA准备阶段中新的专用术语。主要包括三方面：

（1）减少开发问题；

（2）提升企业形象；

（3）通过减少担保费用增加客户满意度。

为优化这三方面，我们必须在设计初期应用稳健性原则，以便降低设计对干扰的敏感度。应该如何操作呢？可以从一张功能图入手分析，接下来是边界图和接口图，进而通过Ｐ图估计出理想函数。表格1总结了一些有关稳健性的关键问题。

表1 稳健性概要

设计中整体稳健性原则如下：

1. 注意理想函数，建立测量理想函数的方法。不使用低质量症状。

2. 确定五类噪音来源，预测其等级。（牢记噪音5――内部环境）

3. 注意噪音影响；也许一种噪音能够表示其它噪音。

4. 了解错误状态和噪声因素怎样通过系统接口和边界。建立相邻团队契约。

5. 制定噪声因素管理策略。除去噪音比增强噪音更容易。这些物理定律非常严格的。

6. 解决如何在PV所有试验中保持噪声因素。

7. 针对当前设计和理想性能的比较设计稳健性评估计划。

8. 在物理学知识中稳健性改进策略是正确的。

9. 在稳健性改进不明显地方，计划改进参数设计以提高稳健性。

通常，试制从系统技术基线划定后开始，并且设计从完整系统级要求转换为详细定性和定量设计要求。此过程经过系统功能分析或者简单功能分析后变得很简单。

其得名来源于功能产生了具体或断续的行为，从而达到一定目标。但目标必须符合当前整个系统的相互关系。因此，此功能方法可帮助确定：

1. 系统开发，运行和保障的全部方面。即设计，生产/构造，试验，配置，运输，培训，操作和维修。

2. 确认和定义系统的全部元素（主要设备，试验和保障设备，工具，人员，数据，软件等等）。

3. 确定对于给定功能的保障需求和相关的设备包装方案。用于确定保障需求的资源和要求之间的关系。

4. 根据危害性设计接口，建立适当的流程和设计关系。

功能分析是系统设计和开发的合理、系统的方法。它把系统操作和保障需求转化为确定的定量和递定性的设计要求。此过程是反复的，通过功能流框图的发展来完成的。

功能流框图将系统要求转化为功能要求。它能够指出基本系统组织并表明功能界面。功能框图是关于完成什么工作，与怎样做相对。人们容易犯的错误是没有制定功能要求时就提前构建了设备框图。只有定义了功能要求的完整范围才能决定由一台设备、一个软件或一个人，或他们的组合来完成什么样的功能。换句话说，如果没有首先通过功能要求定义过程权衡某种设备的需求，就不能定义或获得该设备。

功能分析（功能流程图的产生）通常能够以全面合乎逻辑的方式促进设计、开发、系统定义过程。功能分析是基于系统运行要求和系统维修方案定义的，因此是详细设计的基础。有许多相关的详细设计工具，用于跟踪最高层的功能分析（例如，运行和维修功能框图）。最终目标是：

（1）确定系统/子系统的功能；

（2）确定完成不同功能的方法――手工、自动，或半自动；

（3）确定完成功能所需资源。必须确定，使用条件下，与系统寿命周期相关的运行和维修保障等方面。

系统运行和维修性概念转变成具体的定性和定量设计要求转化从主要功能确认开始，随后是开发功能流程图。功能流程图是将系统设计要求通过图形方式描绘的一种机制，说明串－并联关系，系统功能分层，以及功能接口。功能流程图可划分为顶层、一层、二层等等。顶层指出总的运行功能。第一层和第二层图表对前一层的单个功能进行展开式描述。功能流程图将从需要进行相应分析的最低层次开始建立需求（硬件，软件，设备，人员，数据）。不同层次的功能关系如下：

需求――系统要求

顶层功能――A，B，C

   第二层功能――A l，B l，C I

      第三层功能――Ala，Bib，C1c

每个功能框图通过使用参考框表示对高一层次的引用是很重要的。例如，功能A1a认为是引用了功能A1，并且被用来扩展功能A1。参考框也应能适当地描述接口功能。

此外，功能图中每个功能框应该用实线方框表示。用于解释流程的方框应该用不完全封闭方框标以“Ref”注释。每个功能都可以按需要用功能图进行总体或详细的描述。

边界图：（框图。读者应该注意边界图和框图是一样的。特别要指出的是，汽车行业中使用边界图。）

功能图一旦完成，重心就转移到FMEA的范围上。利用边界图定义范围，说明子系统/组件。而且，为了保考虑到所有故障模式机理及影响，也要说明FMEA以外的元素。本质上讲，边界图是证明和阐述系统间关系的一种工具。

边界图带有强制性，把FMEA置入容易管理的层次。它通过图示说明子系统，装配件，组件，和系统部件之间的关系。若构建正确，它为接口矩阵，Ｐ图和FMEA提供详细信息。必须注意，当完成或修改时，将边界图附加到FMEA中。

虽然边界图可以针对任何层次的细节建造，但其重点是确定主要元素，了解它们之间的相互作用，以及和系统外部之间的相互作用。此外，在设计程序的前期，边界图只是在系统层描述主要功能和它们相互关系的框图。在设计成熟期，边界图可能被修改，或者扩展说明更低一层细节，直到组件级。

在概念和设计FMEA中范围是分析的边界或程度并且定义包含什么、不包含什么。在做FMEA分析之前应确定正确的边界，这样可集中进行FMEA避免将FMEA分析扩大不需要建立和修订FMEA的领域。这样可防止设置错误的范围，增长或者错过分析，建立错误的团队关系。

接口矩阵是作为设计FMEA输入的推荐稳健性工具。接口矩阵确定和量化系统相互作用的程度。注意：如果不能确定系统中相互作用的位置，则会导致产生潜在的责任和商品召回的结果。因此，接口矩阵应该一直使用，尤其在新设计中。接口矩阵同时也是DFMEA故障栏潜在原因/机理，边界图，p图干扰部分的输入。接口矩阵也用来检查故障原因完整性。若完成或修改完毕，将接口矩阵附加到FMEA中。典型接口矩阵（见图1，和光盘附录Ｉ）通过如下方法确定和量化系统相互作用程度：

🔺显示关系是否是必要或者不利

🔺确定4种基本类型的关系（能量转移，材料交换，信息交流，物理接触）

关系通过方框格式来表示，在方框的每一个角通过量化的数值表示是否有关系，是正的还是负的关系（如图1）。另外，每个相互作用，无论是正是负，都应该经过验证。负值可以分析正确行为建议。图17.2列出的Ａ，B，C，和D表示所要评估的主要项目。每个方框中的a，b，c，和d表示4 种关系类型的量化值。通过在每个角上赋值的情况进行评估，例如：

0 = 无影响； 1 = 相互作用对功能性有利，但不必需

-1 = 引起消极效果的能量转移，但不影响功能性

+2 =系统之间有物理接触，并且对于功能是必要的

-2 = 相互作用必然阻碍功能性的实现

图1 典型的接口矩阵

数值可能是针对具体的项目而言，但是要有足够的能力识别这些数值，以便保证分析是有效的。

 P 图是推荐的一种组织工具，适用于课题调研阶段确定预期输入（信号）和输出（功能）。一旦这些输入和输出确定为具体功能，错误状态也随之确定。错误状态确定后，即可列举出引起错误状态的噪声因素（根据5类干扰的基本来源）：

🔺累计偏差

🔺时间和里程数增加，尺寸变化（磨损，疲劳等等）

🔺用户使用

🔺使用的外部条件（道路，气候等等）

🔺使用的内部条件（即系统相互作用）

需要确定控制因素以及为补偿干扰因素所设置的干扰因素管理办法。取决于p图所包含的细节的层次，将这些信息写入FMEA的不同栏中。最后，把p图附到FMEA上。

🔺描述噪声因素，控制因素，理想函数和错误状态

🔺帮助确定

―潜在故障原因（系统之间的相互作用，piece to piece的偏差，外部气候和道路状况，用户使用）

―故障模式（降级）

―故障的潜在影响（错误状态）

―当前控制（控制因素）

―建议行为（控制因素）

控制因素是包含设计过程中所有因素的目录，其目的是减少可能存在的错误状态。控制因素是提高项目稳健性的手段。

错误状态可划分为两类：

1. 预期功能偏差（预期功能偏差等同于FMEA里的潜在故障类型。潜在故障类型标准是：无功能，部分功能（包括降低功能），间歇性功能，超出功能范围）。

2. 非预期系统输出。

噪声因素是非预期的接口或者能够导致功能失效的条件和相互作用。

响应是理想状态，预期的功能输出。

信号因素是能够激发功能的输入。

此特性矩阵推荐作为辅助对从产品到过程以及产品与产品之间关联的开发。编辑特性矩阵时，确定所有过程阶段的划分使之符合DFMEA中指出的部分特征。即在最高层确定过程流程图中的全部功能（任务）；并且DFMEA竖列确定全部产品特性。在完成或修正时，把产品特性矩阵附到FMEA上。典型特征矩阵如图2所示。

图2 一个典型的特征矩阵

局部特性是指零件的规范，当它损坏时，则产生一种故障模式。它可能是尺寸，例如孔的内径；也可能是一种说明，例如金属的组成成分或硫含量。

进行设计FMEA，确定任何危害/重要的潜在故障时，必须考察由于什么部件的属性特征损伤而导致该故障模式。对此有效的解决方法是查询FMEA 中的原因一栏，查看每一个原因，确定是否存在相关的局部特性，何时缓解，引发的原因。可能一个没有，可能只有一个。在某种情况下可能超过一个。

确定所有与故障类型相关的局部特性后，必须将这些信息汇总并传达给相应过程FMEA小组。这些特性被安置在一个特性矩阵上，并每项特征单独地和可能导致它故障的特性建立对应关系。当任何时候该特性发生问题时，相关的故障模式也随着故障影响一起在设计FMEA中体现。因此，局部特性是设计和过程FMEA之间的桥梁。（折中的方法是证明成本效益分析或其他可量化的原因是合理的。）

读者必须明白任何FMEA都必须有输入和输出。因此，这些联接决定了这些输入和输出，与FMEA元素的相互关系一样，通过讨论或表格得出。在某种意义上，它们是总结了错误状态，干扰因素和相关的设计控制的过程输出。也是设计验证的输入。这些联接总结为概念，设计，和过程FMEA，如下：

（1）设计概念输入

🔺共同要求

🔺规章要求

🔺用户要求

🔺标准技术

🔺性能历史信息

🔺产品具体的要求，需要和预期（QFD的结果），按用户重要性排列

🔺通用SDSs

🔺试制/开发阶段系统性能目标

🔺系统的SDSs

（2）工艺概念输入

🔺用户要求

🔺规章要求

🔺性能历史信息

🔺基准技术

（3）设计概念输出

🔺计划目标值或推荐值

🔺DVP输入要求常规测试推荐

🔺具体系统/子系统或组件设计规范（具体的SDS，GDT 信息；有效标准，包括工程规范，可靠性目标，稳健性需求）

（4）过程概念输出

🔺计划目标值或推荐值

🔺DVP输入要求常规测试推荐

（5）设计输入

🔺概念FMEA→DVP输入要求常规测试推荐→DVS、方法和时间表

🔺p 图表

🔺边界图

🔺历史设计性能

🔺可靠性信息

🔺接口矩阵

🔺具体系统/子系统或组件设计规范（具体的SDS；GDT 信息；有效标准，包括工程规范，可靠性目标，稳健性要求）

（6）设计输出

🔺潜在标准或显著特性→原型控制计划

🔺潜在策略相关设计信息

🔺可靠性和检查表

🔺新DVS

🔺基于FMEA 分析的测验方法或修正

🔺产品稳健性的其它推荐行为→目标性能的评审和确认

🔺将来产品或规划的其它推荐行为→目标性能的评审和确认

（7）过程输入

🔺设计FMEA→潜在的关键或显著特性→原型控制计划

🔺设计FMEA→潜在策略相关设计信息

🔺设计FMEA→可靠性和稳健性检查表

🔺设计方案FMEA→计划目标评审或建议

🔺过程方案FMEA→计划目标评审或建议

🔺过程方案FMEA→推荐新通用过程控制

🔺历史控制；控制计划信息

🔺使用GDT的度量信息

🔺问题解决和FMEA 数据

🔺特性矩阵

🔺过程流程及说明信息

🔺P 图

🔺工程规范

🔺历史生产性能信息

（8）过程输出

🔺安全信号关闭

🔺确认关键和重要特性→D 和R信号关闭和预投产控制计划

🔺预投产控制计划→生产控制计划→D 和R信号停止

🔺针对产品稳健性生产建议

🔺将来产品或计划的其它推荐行为

（9）设备输出

🔺操作者安全信号关闭

🔺生产控制计划

🔺潜在策略相关设计信息

🔺基于FMEA 分析的测验方法或修正

🔺设备使用说明的其它推荐行为→目标性能的评审和确认

🔺将来设备的其它推荐行为→目标性能的评审和确认